Надежность системы электроизоляции тяговых электродвигателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Диагностика и надежность энергооборудования

25 =

Надежность системы электроизоляции тяговых электродвигателей

А. В. Прохоров,

заместитель генерального директора ЗАО «Диэлектрик»

Надёжность работы тяговых электродвигателей (ТЭД) и вспомогательных электрических машин электровозов и тепловозов в настоящее время остаётся на недостаточно высоком уровне. Количество отказов электрических двигателей по причине пробоя изоляции достигает 40% от общего числа отказов. И это при том, что гарантийный пробег составляет всего лишь 175 тыс. км.

Ключевые слова: система электроизоляции; тяговый электродвигатель.

В чём же причина преждевременного разрушения изоляции? Каковы пути повышения надёжности систем изоляций тяговых и других электродвигателей? Возможно ли отечественным заводам построить и применить такую систему изоляции ТЭД, которая позволила бы увеличить его гарантийный пробег до 2,5 млн. км и больше?

На все эти вопросы есть положительные ответы. Но для того чтобы достичь требуемых показателей надежности ТЭД, необходимо понять одну причину, которая лежит в основе большинства причин возникновения электрического пробоя изоляции, - это технически грамотный выбор электроизоляционных материалов.

Сущность электроизоляционных материалов (диэлектриков) состоит в том, что они имеют высокие показатели электрического сопротивления и не пропускают электрический ток (в отличие от проводников). Тем не менее, идеальных диэлектриков в природе нет. В любом диэлектрике имеются какие-то свободные носители заряда разной природы, которые способны передавать электрический заряд. В обычных условиях при нормальной температуре это совсем мизерный ток. Такой ток в электротехнике определяется как ток сквозной проводимости (1скв). Ещё имеется ток, который обусловлен быстрыми видами поляризации в момент включения электрической машины, - ток смещения (!см) и ток, вызванный установлением замедленных релаксационных поляризаций, - ток абсорбции (!абс). Понятие диэлектрических потерь неразрывно связано с наличием тока сквозной проводимости (!скв), тока смещения (!см) и тока абсорбции (!абс).

Показателем, определяющим потери в диэлектриках от различных факторов, в том числе от I , токов, вызванных процессами различных видов поляризаций (!см), и тока абсорбции ^абс), является тангенс угла диэлектрических потерь ^ 5 ), который прямо пропорционален активной составляющей тока потерь. Определяя 5, мы определяем фактически активную составляющую тока потерь в диэлектрике.

При работе электродвигателя происходит его разогрев, и активная составляющая тока потерь в отдельных электроизоляционных материалах возрастает в 40 - 50 раз при Т = 150 °С. Электрическое сопротивление изоляции Rиз по площади её наложения в отдельных точках имеет какие-то колебания по различным причинам (толщина и т.п.).

Напряженность электрического поля имеет неоднородный характер, имеются участки с повышенной концентрацией, например, в местах изгиба катушек или на выходе катушки из паза.

Явление электрического пробоя изоляции происходит таким образом: работающий электродвигатель разогревается до температуры, при которой происходит резкое увеличение активной составляющей тока потерь ^ 5> 40%) в 40 - 50 раз и появляется мощность потерь, увеличенная в тысячи раз от первоначальной - !п2 • Rиз. На участке изоляции прожигается канал, где происходит электрическое замыкание.

Рассмотрим поведение диэлектриков в зависимости от условий работы, т.е. 5 = ^Т) и 5 = ^Щ. Что же мы видим? Казалось бы, очень привлекательные

= 26

Энергобезопасность и энергосбережение

электроизоляционные материалы начинают терять Анализ зависимостей 5 показывает, что далеко свои диэлектрические свойства при температурах не все электроизоляционные материалы способны 120 - 150 °С (рис. 1). Зависимость 5 от напряжения работать по классам нагревостойкости Р и Я.

также значительна (рис. 2).

В настоящее время имеющаяся практика определе-

+д 5 0,7-1

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

_Т, оС

220

20

Рис. 1. График зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры испытания на различных пропитывающих составах (испытательное напряжение 1 кВ)

1 - КП-307, 2 - Элпласт-155ИД, 3 - ПК-11(ВЗТ-1), 4 - Р01-РН0М СС-1105, 5 - ФЛ-98, 6 - металлоорганический ускоритель +ПК-1, 7 - ПК-21,8 - КП-3309, 9 - КП-3340,10 - ЭП-9150М,11- Е-4011, 12 - КП-303В, 13 - КО-916

+д 5 0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

7

12

13

и, кВ

10

Рис. 2. График зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от напряжения для различных пропитывающих составов (температура испытаний 160 оС)

1 - ПК-11(ВЗТ-1), 2 - Р01-РН0М СС-1105, 3 - Элпласт-180ИД, 4 - КП-307, 5 - ФЛ-98, 6 - ПК-21, 7 - КП-3340, 8 - Е-4011, 9 - КП-3309, 10 - КП-303В, 11 - КО-916, 12 - ЭП-9150М, 13 - металлоорганический ускоритель+ПК-11

3

0

0

4

5

6

гашшдщщ

Диагностика и надежность энергооборудования

27 =

ния нагревостойкости, к сожалению, не предусматривает показателя, определяющего зависимость ^ 5 от температуры. Следует однозначно определить значения ^ 5, позволяющие обеспечивать работоспособность систем изоляции по определённому классу нагревостойкости. Эта градация должна выглядеть следующим образом: допустимые значения ^ 5 - не

1д 5 0,8

»4

более 30% при температуре, являющейся рабочей для определённого класса нагревостойкости.

Конечно, технология изготовления электродвигателей должна обеспечивать полную полимеризацию электроизоляции. Насколько это важно иллюстрирует сравнительная тангенсограмма спекания слюдяных лент разных марок (рис.3).

1 - Лента на-ФЛ-98

2 - Элизтерм-155ТПл

3 - ЛСп^-ТПл+ФЛ-98

4 - ПК-21

5 - ЛСЭП-934-ТПл

6 - Лента на ЭП-915ОМ

7 - ЛСУ

8 - ЛСК-110-ТПл

9 -

10

Элмикатерм 524019 ЛСп^-ТПл

................;.......—...........................;........................—................;.........................;.......;—-...—......;............—й!

6

10 10

•г з з х 5 -3 • • у- -Т-г-х-Т _

ххх-х^ххуххххх х-ххх-^Х Х Х-Х :хх :-,Х; х-: ; :хх:х х->^ ■:• X 11 ■ :Х х.хххух-.хх

--------------I, мин

20

50

100

150

200

250

Т

300 960

Рис. 3. Сравнительная тангенсограмма отверждения лент слюдяных пропитанньх

Режимы отверждения (рис. 3): ЛСп^-ТПл: Т=160 на ФЛ-98: Т=120 °С, 1=2 ч; Т=140 °С, 1=12 ч; ЛСп^-

°С, 1=4 ч; ЛСЭП-934-ТПл Т=160 °С, 1=16 ч; ЛСУ: Пл, пропитанная ФЛ-98: Т=160 °С, 1=5 ч; лента на

Т=160 °С, 1=6 ч; Элизтерм-155-ТПл Т=140 °С, 1=2 ч; ЭП-9150М: Т=160 °С, 1=48 ч. Лента ЛСКН-135-ТПл

Т=160 °С, 1=3 ч; Элмикатерм 524019, Т=160 °С, 1=4 ч; 0,4 у, пропитанная ПК-21: Т=160 °С, 1=16 ч. Все

Т=180 °С, 1=2 ч; ЛСК-110-ТПл Т=160 °С, 1=5 ч. Лента ленты допекали при Т=160 °С до 16 ч (960 мин).

Цементирующая способность, Н

300 250

200

Режим отверждения: Т=160 оС, 1=4 часа

6 \7

Режим отверждения: Т=160 оС, 1=20 часов \

2

Т, оС

Рис. 4. График зависимости цементирующей способности от температурыразличньхс пропитывающих составов

1 - 3309 (Франция), 2 -ФЛ-98, 3 - Элпласт-180ИД, 4 -Е-4011 РиРоп1, 5 - КП-303В, 6 -ЭП-9150М, 7 - ПК-11(ПК-21)

ПШЮШЖФ

= 28

Энергобезопасность и энергосбережение

В настоящее время разогрев тяговых электродвигателей фактически находится в пределах 120 °С, и скачки напряжения достигают 5 - 6 кВ. Однако тенденция увеличения нагрузки непременно приведёт к повышению рабочих температур электрических машин, и без грамотного выбора диэлектриков и систем изоляции не обойтись. Ещё раз обращаем внимание на то, что такие материалы у нас есть. Когда мы говорим о материалах класса нагревостойкости Н (180 °С), мы говорим о системах изоляции, способных работать не менее 50 тыс. часов при Т=180 °С и выдерживать скачки напряжения свыше 10 кВ. Тангенс угла диэлектрических потерь 5 таких материалов при Т=180 °С остается в пределах 30%.

Кроме того, следует обращать внимание и на механическую прочность системы изоляции, которая также имеет серьёзную зависимость от рабочих температур. Показатель «цементации»

при рабочих температурах должен быть не менее 40 Н (рис. 4).

Контроль качества изоляции по tg 5 следует внедрять и в качестве неразрушающего способа контроля вновь изготовленного или отремонтированного двигателя, так как именно этот показатель позволит с большой долей вероятности говорить о надежности системы изоляции. Причём необходимо это на всех этапах изготовления или ремонта двигателя, т.е. перед пропиткой якоря и катушек, после термообработки (запечки) якоря и катушек, и в сборе двигателя. Для этого в настоящее время имеются мобильные приборы типа «Вектор - М» или «Тангенс - 2000».

Материал подготовлен при содействии кафедры ФТЭМК МЭИ, аналитической и электрофизической лаборатории ЗАО «Диэлектрик»

гашшдщщ